碳的几种单质
知识点一：碳的单质
1．物质的结构决定性质
同一种元素可以组成不同的单质，以单质形式存在的碳有金刚石、石墨和等，由于它们的碳原子排列方式不同，即结构不同，它们的性质也存在较大的差异。由此也可以知道：物质的结构决定其性质。这三种常见单质的空间排列如图所示。
金刚石的结构石墨的结构C60的结构
2．金刚石、石墨和C60的比较
3．无定形碳
无定形碳：由石墨的微小晶体和少量杂质构成，没有固定形状。常见的无定形碳：木炭、活性炭、焦炭、炭黑。
4．碳的单质相关概念辨析
（1）由同种元素组成的不同单质，如金刚石和石墨、红磷和白磷等，其物理性质不同，但化学性质基本相同。
（2）同种元素组成的不同单质间可以相互转化，如石墨在一定条件下能转化为金刚石，这一转化过程中产生了新物质，属于化学变化，而不是物理变化。
（3）木炭和活性炭的吸附性是物理性质，所以木炭、活性炭对其他物质的脱色过程是物理变化。
（4）“碳”和“炭”的区别：“碳”是元素名称，是核电荷数为6的一类原子的总称，并不具体指某种物质。如碳元素、碳单质、二氧化碳等使用“碳”。“炭”只在木炭、活性炭、炭黑、焦炭等无定形碳的物质名称中使用。
①物质的性质决定物质的用途，物质的用途在一定程度上反应物质的性质。
②一种元素可以组成不同种单质；
③石墨在一定条件下可以转化为金刚石，该变化为化学变化；
④活性炭的吸附性是物理性质。
1、碳单质物理性质差别的原因为碳原子的排列顺序不同。金刚石中碳原子排列呈正四面体结构，石墨中碳原子排列呈片层结构，C60中碳原子排列呈足球状结构。
2、无定性碳
活性炭、木炭具有强烈的吸附性，木炭可用于食品、工业产品中除去色素、异味等，活性炭可用于防毒面具中除去毒气、制糖业中脱色以制白糖；焦炭用于冶铁，炭黑加到橡胶里能够增加轮胎的耐磨性。
二、碳的化学性质
1．常温下，碳单质的化学性质稳定
在常温下，碳的化学性质不活泼。碳受日光照射或与空气、水等接触都不容易起变化。
实际生活中利用这一性质有以下应用：
（1）需要长期保存的档案材料一般用碳素墨水书写。
（2）木质电线杆埋入地下部分用火烧焦。
2．碳能与氧气反应——可燃性
在点燃的条件下，碳可以在氧气（或空气）里燃烧，放出热量。
无论碳燃烧是否充分，都会放出热量，因此碳是生活生产中常用的燃料。
3．碳能与某些金属氧化物反应——还原性
单质碳在高温下可以和某些氧化物反应，夺取这些氧化物中的氧，表现出还原性。
（1）木炭还原氧化铜
①实验操作
a．把刚烘干的木炭粉末和氧化铜粉末混合均匀，小心地铺放进试管；
b．将试管固定在铁架台上。试管口装有通入澄清石灰水的导管；
c．集中加热；
d．过几分钟后，先撤出导气管，待试管冷却后再把试管里的粉末倒在纸上。观察现象并分析。
②实验现象
澄清的石灰水变浑浊；黑色固体逐渐变成红色。
③实验原理
在碳还原氧化铜的反应中，C在反应中得到氧，发生氧化反应，具有还原性。CuO在反应中失去氧，发生还原反应，具有氧化性。
④实验操作目的及注意事项
a．反应开始的标志：澄清的石灰水变浑浊。
b．试管口应略向下倾斜：防止冷凝水倒流使试管炸裂。
c．在酒精灯上加网罩的目的：集中火焰、提高温度。
d．配制混合物时木炭粉应稍过量的目的：防止已经还原的铜被氧气重新氧化。
e．实验完毕后先熄灭酒精灯的后果：石灰水倒吸入热的试管中使试管炸裂。
注：工业上水煤气的制取方法
三、氧化反应与还原反应
1．氧化反应、还原反应
物质与氧发生的反应叫做氧化反应。含氧化合物中的氧被夺去的反应叫做还原反应。简记为“得氧被氧化，失氧被还原”。
2．氧化性、还原性
在反应中物质供给氧的性质叫做氧化性，物质夺取氧的性质叫做还原性。
在2CuO+C2Cu+CO2↑反应里，氧化铜失去氧而变成了铜单质，氧化铜发生还原反应。木炭是使氧化铜还原为铜的物质，它具有还原性，是还原剂。木炭跟氧化铜里的氧起反应生成了二氧化碳，又发生了氧化反应。氧化铜在反应中提供氧，具有氧化性，是氧化剂。
氧化反应与还原反应是从得氧失氧的角度研究化学反应的，不属于基本反应类型。氧化剂是指能够供给氧的物质，还原剂是指能够得到氧的物质，氧化剂、还原剂指的都是反应物。氧化反应和还原反应是针对化学反应中的某一反应物而言的，如C与CuO的反应中，C发生了氧化反应，CuO发生了还原反应。
氧化剂和还原剂的判断方法
氧化还原反应是一类常见的反应类型，它不属于基本反应类型，初中阶段，主要是从得氧、失氧的角度判断氧化还原反应。
氧化反应是指物质跟氧发生的反应（或者说，物质得到氧的反应）；还原反应是指含氧化合物中的氧被夺去的反应（或者说物质失去氧的反应)。一种物质得到氧，必然有另一种物质失去氧，故氧化反应和还原反应是同时发生的，通常叫做氧化还原反应。
在氧化还原反应中，能提供氧的物质叫做氧化剂，氧化剂失去氧发生的是还原反应；能得到氧的物质叫做还原剂，还原剂发生的是氧化反应。
以碳还原氧化铜为例，它们之间的关系为：
即：氧化剂一失去氧→被还原一发生还原反应；还原剂→得到氧→被氧化→发生氧化反应。
解答这类题目，首先要理解和熟记碳的化学性质及其反应现象、化学方程式和用途等相关知识。然后根据所给的实验、问题情景或图表信息等，结合所学的相关知识和技能，以及自己的生产或生活经验所得，细致地分析题意或图表信息等各种信息资源，联系起来综合分析，按照题目要求进行认真地选择或解答。
碳原子常温下化学性质稳定的原因为最外层电子数为4个，达到半稳定结构，故化学性质不稳定。
1．两位英国科学家因在石墨烯材料方面的开创性研究获得年诺贝尔奖。石墨烯是由碳元素组成的单质，下列关于碳单质的说法正确的是（ ）
A．金刚石是天然存在的最硬的物质，可用来裁玻璃
B．石墨有金属光泽，有导电性，所以是一种金属
C．活性炭具有吸附性，可以吸附所有物质
D．金刚石、石墨和足球烯（C60）都是由碳原子直接构成的
2．（·呼和浩特）石墨烯可用机械剥离法从石墨中剥离制得。它是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体（如图），图中每一个小球代表一个碳原子。它是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。关于石墨烯，下列说法不正确的是（ ）
A．石墨烯和金刚石都由碳元素组成
B．石墨烯的导电性比银强
C．石墨烯中每个碳原子为三个六元环共用
D．从石墨中剥离出石墨烯属于物理变化
3.（·本溪）下列关于金刚石与石墨的说法中正确的是（）
A.都能导电B.都是黑色固体C.硬度都很小D.都由碳元素组成
4.C60在能源、信息、医药等领域有着广阔的应用前景。关于C60的叙述不正确的是（）
A.该物质由C60分子构成B.该物质由60个碳原子构成
C.其相对分子质量为D.C60和C70是两种物质
5．（成都）按如图进行实验，下列分析或结论正确的是（ ）
A．导管口刚有气泡冒出说明反应开始
B．实验结束应立即倒出粉末
C．木炭能使氧化铜还原为铜
D．固体减少的质量一定等于生成CO2的质量
6.金刚石、石墨、C60物理性质有很大差异的原因是（）
A.原子种类不同B.原子大小不同
C.原子排列方式不同D.原子数目不同
7．C60的发现使人类了解到一个全新的碳世界，下列说法正确的是（ ）
A．足球由C60构成
B．C60这种物质由碳原子直接构成
C．C60是一种新型化合物
D．C60在氧气中完全燃烧生成CO2
8．以美国为首的北约对南斯拉夫联盟共和国轰炸中使用了“石墨炸弹”，用来破坏输变电系统．“石墨炸弹”的破坏性主要利用了石墨（ ）
A．质软B．能导电C．有滑腻感D．有金属光泽
9.某物质经鉴定只含一种元素，则该物质（）
A.肯定是一种单质
B.可能是几种单质组成的混合物
C.肯定是纯净物
D.可能是化合物
10．石墨烯是单层的石墨，它是已知世界上最薄、最坚硬的新型材料，有良好的导电性，具有很好的应用前景。下列有关石墨烯的说法正确的是（）
A．与C60是同一物质
B．属于新型的化合物
C．硬度小于金刚石
D．在氧气中燃烧可能生成CO2、CO或二者的混合物
11．在高温条件下，碳能使二氧化碳转变成一氧化碳：下列说法不正确的是（）
A．反应中碳发生了还原反应
B．产物是空气污染物之一
C．该反应为吸热反应
D．该反应中原子数目在反应前后不变
12．已知：如图表示一定量的木炭和氧化铜固体混合物受热过程中，某变量随加热时间的变化趋势，其中纵坐标表示（）
A．固体的质量
B．固体中氧化铜的质量
C．二氧化碳的质量
D．固体中铜元素的质量分数
13.已知：如图表示一定质量的CuO和C固体混合物在受热过程中各物质质量随时间的变化趋势。下列说法中，不正确的是（）
A．t1时，开始发生反应
B．t1和t2时，固体中铜元素质量保持不变
C．c是固体混合物的质量
D．d是二氧化碳的质量
14．我们的祖先很早就掌握了炼铜的工艺，通过学习，同学们知道木炭可以作还原剂把氧化铜中的铜还原出来，小明查阅了大量的资料后，建议用超细炭粉与氧化铜粉末混合进行实验，他的理由是____________________________________________________。
（1）同学们按如图装置进行实验，当看到澄清的石灰水刚刚出现浑浊时，____________（填写“可以”或者“不能”）确定氧化铜和炭粉已经开始反应。
（2）为了使氧化铜中的铜完全被还原，对于下列三组氧化铜和炭粉的质量比例，你建议选择__________（填写字母），简要说明你的理由____________________________________________________。
A．36∶3B．40∶3C．48∶3
15.某兴趣小组在学习碳（C）的化学性质时，了解到高温下C与CuO反应生成CO2，C还能使CO2转变成CO。于是对过量木炭还原CuO的气体产物中是否含有CO进行了探究。
C还原CuO时产生的CO2与C进步反应生成CO，化学方程式是。
CO不与NaOH、Ca（OH）2及H2SO4反应。
取研细和干燥后的木炭（0.3g）和CuO（2.0g），混合均匀并装入试管，连接装置，高温反应，检验气体。
（1）由“题19图”装置③中粉末的颜色变化可检验CO，除此之外，还可通过几种装置的组合，由另一种明显的现象来进一步确定CO的存在，则装置连接的最佳顺序为→尾气处理（填字母）。
A.①→②→③→④B.④→①→②→③→①
C.①→④→①→③→②D.③→④→①→②
（2）上述进一步确定CO存在的现象是（装置③中粉末的颜色变化除外）。
（3）装置③中发生反应的化学方程式是。
（4）写出CO尾气处理的方法：（一种即可）。
高温下，过量木炭还原CuO的气体产物中有CO。
冬天，室内用炭火取暖时，应注意。
1．
A
金刚石是天然存在的最硬的物质，可以做钻头，切割玻璃大理石等；石墨有金属光泽，有导电性，但不是金属；活性炭具有吸附性，主要吸附色素与异味，并不能吸附所有物质；金刚石、石墨是由碳原子直接构成的，足球烯是由碳分子构成的。
2．
D
从石墨中剥离出石墨烯，产生了新物质，属于化学变化。
3.
D
金刚石、石墨都是由碳元素组成的单质，但是由于它们的原子构成方式不同，所以二者的性质有较大的差异；石墨具有良好的导电性，金刚石没有导电性；纯净的金刚石是无色透明的固体，是天然存在的最硬的物质。
4.
B
C60属于非金属单质，由C60分子构成，一个C60分子由60个碳原子构成，其相对分子质量为，.C60由C60分子构成和C70由C70分子构成，它们是两种物质。
5．
C
导管口刚有气泡冒出，不能确定反应是否开始，因为试管中的空气受热后也会逸出，也能够观察到气泡；实验结束后，应该先冷却，后倒出粉末，否则热的铜可能重新被氧化；木炭具有还原性，能使氧化铜还原为铜；固体减少的质量等于氧化铜中失去氧元素的质量与参加反应碳元素的质量之和，反应中可能生成一氧化碳，所以固体减少的质量不一定等于生成二氧化碳质量。
6.
C
物质的结构决定物质的性质，不同的物质结构不同，性质不同。
7．
D
A、C60的分子结构与足球相似，但足球不是由C60构成，错误；
B、C60是由60个碳原子构成的碳分子，所以由分子构成，错误；
C、C60是由碳元素组成的单质，错误；
D、C60在氧气中完全燃烧生成CO2，正确。
故选：D。
8．
B
解：石墨具有导电性，能破坏输变电系统。
故选B．
9.
B
物质中只含有一种元素，则这种物质绝对不可能是化合物，D项错误；同种元素可以组成不同单质，如氧气和臭氧都是由氧元素组成的，金刚石和石墨都是由碳元素组成的，但氧气和臭氧不是一种物质，金刚石和石墨也不是一种物质，它们都属于混合物，A、C两项错误，B项正确。
故选：B
10．
D
A、石墨烯是由碳原子构成的，是单层的石墨与C60的碳原子排列方式不同，不是同一物质，错误；
B、石墨烯是由碳原子构成的，也就是由一种元素组成的纯净物，属于单质，错误；
C、石墨烯是单层的石墨，它是已知世界上最薄、最坚硬的新型材料硬度大于金刚石，错误；
D、石墨烯由碳元素一种元素组成，所以完全燃烧时，碳与氧结合生成二氧化碳，不完全燃烧生成一氧化碳，正确。
故选D。
11．
A
A、碳夺取了二氧化碳中的氧，发生了氧化反应，故选项说法错误；B、生成物是一氧化碳，是空气污染物之一，故选项说法正确；C、该反应在高温下进行，为吸热反应，故选项说法正确；D、由质量守恒定律，该反应中原子数目在反应前后不变，故选项说法正确。
故选A。
12．
D
A、氧化铜和碳反应生成铜和二氧化碳，固体质量逐渐减小，错误；B、氧化铜的质量逐渐减小到零，错误；C、二氧化碳的质量应该从零开始不断增加，错误；D、铜元素质量不变，固体质量逐渐减小，所以固体中铜元素的质量分数逐渐增加，然后不变，正确。故选D。
13.
C
A、由图像可知，t1时各物质的质量开始发生变化，说明了反应开始发生，正确；
B、根据质量守恒定律可知，反应前后固体中铜元素的质量不变，正确；
C、根据在方程式中的质量比可知，生成铜的质量要比二氧化碳的质量多，所以c为生成铜的质量，d应为生成二氧化碳的质量，错误；
D、由上述分析可知，d应为生成的二氧化碳的质量，正确。
故选C。
14．
（1）增大反应物的接触面积，使反应更充分
（2）不能
（3）A反应中炭粉会与试管内的氧气反应而部分消耗，故稍过量的炭粉有利于反应的进行
（1）与反应物的接触面积越大，反应速率越快，所以把块状的木炭变成炭粉更利于反应的进行。
（2）实验时首先要检查装置的气密性，当看到澄清的石灰水刚出现浑浊时，可能是炭与氧气反应生成的二氧化碳，故不能判断炭与氧化铜发生了反应。
（3）在选择氧化铜和炭的质量比例时要考虑到氧气消耗的炭，不能按反应的比例选择，炭粉要稍多一些，有利于反应充分进行。
即40∶3，而炭粉稍微多一点，即在给定选项中选A，选择的理由是：反应中炭粉会与试管内的氧气反应而部分消耗，故稍过量的炭粉有利于反应的进行。
15.
（4）增加点燃的酒精灯
通风
二氧化碳和碳在高温条件下反应生成一氧化碳，化学方程式为CO2+C高温2CO；
（1）验证一氧化碳存在，先排除二氧化碳，然后进行检验，具体做法是：混合气体先通入氢氧化钠溶液，将气体中二氧化碳去除，接着通过澄清石灰水，验证二氧化碳是否除净，然后通入浓硫酸干燥气体，紧跟着通入氧化铜中，观察固体颜色变化，再通入澄清石灰水，证明一氧化碳与氧化铜反应生成了铜和二氧化碳，顺序为④→①→②→③→①；（2）一氧化碳与氧化铜反应生成二氧化碳，通入澄清石灰水后变浑浊，证明一氧化碳的存在；（3）一氧化碳与氧化铜在高温条件下反应生成铜和二氧化碳，书写化学方程式注意配平，化学方程式为CO+CuO高温Cu+CO2；（4）一氧化碳有毒，不能直接排放，可以设置点燃的酒精灯，处理一氧化碳；室内炭火取暖时，若燃烧不充分会生成一氧化碳，需要做好通风，避免一氧化碳中毒。